DE19923869A1

DE19923869A1 - Kugelgelenk und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19923869A1
Application number: DE1999123869
Authority: DE
Inventors: Gunter Siebdraht; Petra Schulz; Eberhard Koehler
Original assignee: INST KONSTRUKTION und VERBUNDB
Current assignee: HQM Tubes GmbH
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2019-05-26
Also published as: DE19923869B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein aus den Elementen Kugelzapfen (1), Kalottenteil (2) und Kunststoff- oder Elastomerausspritzung (3) bestehendes Kugelgelenk sowie dessen Verfahren zur Herstellung in nur einem Arbeitsgang. Nach Stand der Technik werden Kugelgelenke aus mehreren Elementen in mehreren Arbeitsgängen gefertigt. Erfindungsgemäß erfolgt die Einschrittfertigung durch Zuordnung branchenfremder Arbeitsgänge wie Massivumformung von Stahl an eine für den nachfolgenden Spritzgießvorgang ohnehin erforderliche Schließbewegung einer Spritzgießmaschine. Das für diese Verfahrenskombination erforderliche Werkzeug kombiniert die Anforderungen an eine Metallmassivumformung zur gezielten Auslegung eines definierten Umformvorganges mit Abstand zur Kugel des Kugelzapfens vorzugsweise von 0,3-0,5 mm (4) mit den Dichtigkeitsanforderungen an ein Spritzgießwerkzeug mit der Dichtkante (5). DOLLAR A Nach dem Umformprozess des Kalottenteiles wird ein Hinterschritt zwischen Kugel des Kugelzapfens und Kalotte gebildet (8) der ein Ausziehen des Kugelzapfens aus dem Kalottenteil unterbindet. DOLLAR A Im Hohlraum zwischen der Kugel des Kugelzapfens und dem Kalottenteil wird eine Kunststoff-/oder Elastomerausspritzung angeordnet. DOLLAR A Die Nutzung der Erfindung ist vorwiegend für den Fahrzeugbau sowie bereichsweise für den Maschinenbau geeignet.

Description

Stand der Technik

Kugelgelenke bestehen in aller Regel aus einem mit einer Kugel versehenen Zapfen sowie einem kalottenförmigen Gegenstück, beide aus Metall, sowie einer bewe gungsfördernden und/oder schwingungsdämpfenden Zwischenschicht. Für die Ver bindung dieser drei Bauelemente gibt es eine Reihe von lösbaren und unlösbaren Möglichkeiten.

Lösbare Bauweisen werden unter Verwendung von Verschlussmuttern montiert und demontiert. Für unlösbare Bauweisen sind nach der Patentschrift DE 297 02 965 U1 eine Reihe von Möglichkeiten angegeben, die alle darauf beruhen, dass zwischen Kugel und Kalotte durch Einbau von Zusatzbauteilen ein erforderlicher Hinterschnitt entsteht. Nachteil aller derartigen Lösungen ist der erhebliche Aufwand sowohl mon tageseitig als auch in der Vorproduktion der erforderlichen Teile. Weiterhin ist davon auszugehen, dass die hinterschnittbildenden Teile nur eine relativ niedrige Ausziehfe stigkeit zwischen Kugelteil und Kalotte erlauben.

Eine ähnliche Bauweise wird in DE 296 17 276 U1 beschrieben. Danach wird zwischen einen definiert angeordneten doppelkalottenförmigen Hohlraum eine Kunststoff masse auf verschiedene Weise eingebracht sowie unter Nutzung zusätzlich ange ordneter Federn unter Vorspannung gehalten. Auch bei diesen Bauweisen ist der Widerstand gegen das Herausziehen der Kugel aus der Kalotte als gering einzu schätzen, da ein metallischer Hinterschnitt fehlt.

In DE 196 38 252 A1 wird anstelle eines kalottenförmigen Partnerteiles ein Rohrab schnitt genutzt, in den wiederum zwischen Kugel und Rohrabschnitt ein geeignetes Gehäusematerial eingegossen oder eingespritzt wird. Die genannte Bauweise weist als Nachteil ebenfalls eine geringe Ausziehfestigkeit der Kugel aus dem gegossenen oder spritzgegossenen Material auf.

Weitere Bauarten, zum Beispiel nach der DE 196 28 545 C1 nutzen zur Erzielung hinreichender Auszugsfestigkeiten zusätzlich anzuordnende Bauteile, deren Nachteil im hohen Fertigungsaufwand zu sehen ist.

Nach der DE 196 28 544 D1 wird das kalottenförmige Bauteil zur Erzielung der erforderlichen Ausziehfestigkeit geteilt ausgeführt und auf aufwendige Weise gefügt.

Eine ähnliche Bauweise, die ein Verfahren zur spielfreien Lagerung der Kugel zum Ziel hat, wird in der DE 39 40 679 A1 beschrieben.

Dabei wird wiederum eine geteilte Kalotte unter Inkaufnahme der o. g. Nachteile verwendet.

Nach der DE 196 28 544 D1 wird das kalottenförmige Bauteil zur Erzielung der erforderlichen Ausziehfestigkeit geteilt ausgeführt und auf aufwendige Weise gefügt. Eine ähnliche Bauweise, die ein Verfahren zur spielfreien Lagerung der Kugel zum Ziel hat, wird in der DE 39 40 679 A1 beschrieben.

Lösung der technischen Aufgabe

Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Erzielung einer ausreichend hohen Ausziehfestigkeit des Kugelzapfens (1) aus dem Kalotten teil (2) während und mit der Schließbewegung der Spritzgießmaschine eine Mas sivumformung des Kalottenteiles (2) vorzugsweise in den Umformbereichen (6) und (7) durchgeführt wird, wobei während der Umformung der Kugelzapfen (1) mit seiner Kugel (13) im Kalottenteil (2) plaziert ist. Nach Abschluss der Metallmassivum formung der Umformbereiche (6) und (7) erfolgt über die Einspritzstelle (12) das Ein bringen einer geeigneten Kunststoff- oder Elastomereinspritzung (3) in unmodifizierter oder modifizierter Form in den verbleibenden Hohlraum (3) zwischen dem Kalotten teil (2) und der Kugeloberfläche (18).

Erfindungsgemäß wird der Vorgang der Massivumformung durch die Schließeinheit der Spritzgießmaschine realisiert, die zu diesem Zwecke als Umformmaschine fun giert. Zur Umformung des in der Regel geschmiedeten Kalottenteiles ist erfindungs gemäß eine Geometrie einzuhalten, die durch einen werkzeugseitigen Umformbe reich (6) mit einem Winkel (21) von vorzugsweise 30° und einem Umformbereich (7) mit einem Winkel (22) von vorzugsweise 45° gekennzeichnet ist. Nach Abschluss des Umformvorganges erfolgt über die Einspritzstelle (12) der Werkzeugpartie (10) das Einbringen der Kunststoff- oder Elastomerausspritzung (3). Mit Beginn des Einspritzvor ganges wird die Kugel (13) des Kugelzapfens (1) im Bereich der Kugel (13) des Abdichtdurchmessers (20) an die Dichtfläche (5) der Werkzeugpartie (9) gedrückt, so dass erfindungsgemäß mit dem sich aufbauenden Innendruck durch die Kunststoff- oder Elastomerausspritzung (3) ein Durchfließen der Kunststoff- oder Ela stomerausspritzung (3) durch die Dichtfläche (5) unterbunden wird. Die erfin dungsgemäße Gestaltung der Umformbereiche (6) und (7) unterbindet im Bereich des Spaltes (4) eine Metall/Metallberührung des fertigen Kugelgelenkes im Bereich der Kugel (1) mit dem Kalottenteil (2). Zur Erzielung der funktionsbedingten Auszieh kraft wird das Kalottenteil 82) durch die werkzeugseitigen Umformbereiche (6) und (7) so umgeformt, dass zwischen Abdichtdurchmesser (20) und Kugelaußen durchmesser (15) ein hinreichend großer Hinterschnitt (8) entsteht.

Durch die erfindungsgemäße Geometrie des Werkzeugbereichs (6) und (7) wird der Kalotteneingangsdurchmesser (16) zu einem Durchmesser (17) so verkleinert, dass ein auszugsverhindernder Hinterschnitt (8) entsteht. Während des Einspritzens und des damit verbundenen Druckaufbaues entsteht ein Differenzdruck, der die Kugel (13) im Abdichtquerschnitt (19) an die werkzeugseitige Dichtfläche (5) drückt, wodurch ein Austreten der Schmelze verhindert wird.

Für bestimmte Anwendungsfälle ist es günstig, das Kalottenteil (2) mit einem Kra gen (11) zu gestalten, um entsprechende Schutzelemente befestigen zu können. Die Anbringung des Kragens (11) erfolgt während des Umformprozesses durch entspre chende Gestaltung der Werkzeugpartie (9).

Das erfindungsgemäße Verfahren löst die technische Aufgabe der funktionsbeding ten Verbindung des Kugelzapfens (1) mit dem Kalottenteil (2) dadurch, dass in einem Arbeitsgang, vorzugsweise auf einer Spritzgießmaschine, im ersten Verfahrensab schnitt der Kugelzapfen (1) und das Kalottenteil (2) in das Werkzeug eingelegt wer den, dass im zweiten Verfahrensschritt mit der Schließbewegung des Werkzeuges das Kalottenteil in den Umformbereichen (6) und (7) umgeformt wird und dass im dritten Verfahrensschritt das Einbringen der Kunststoff- oder Elastomerausspritzung (3) erfolgt.

Anwendungsgebiet

Kugelgelenke werden in großen Stückzahlen im Fahrzeugbau im Bereich der Len kung und Schaltung eingesetzt. Darüber hinaus erfolgt der Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau.

Ausführungsbeispiel

Das erfindungsgemäße Kugelgelenk sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung sollen nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Hierzu zeigt

Fig. 1: die erfindungsgemäße Vorrichtung als Schnittzeichnung in vergrößerter Darstellung,

Fig. 2: als Schnittzeichnung,

Fig. 3: zeigt das Kugelgelenk vor und nach dem Umform- und Spritzgießvorgang,

Fig. 4: die erfindungsgemäße Vorrichtung mit angeformtem Kragen am Kalotten teil.

Die Schließeinheit einer Spritzgießmaschine mit eingebautem Umform- /Spritzgießwerkzeug mit den Werkzeugpartien 9 und 10 sowie mit dem eingelegten Kalottenteil 2 und dem Kugelzapfen 1 ist in Fig. 3 in der linken Darstellung in der Aus gangslage bei geöffneter Schließeinheit ersichtlich und nach vollzogenem Umform- und Einspritzvorgang in der rechten Darstellung der Fig. 3 zu erkennen. Zur Realisie rung des Umformprozesses ist die Werkzeugpartie 9 im Umformbereich 6 mit einem Winkel 21 von vorzugsweise 30° und im Umformbereich 7 mit einem Winkel 22 von vorzugsweise 45° ausgebildet. Die erfindungsgemäße Gestaltung der Werkzeugpar tien 6 und 7 gewährleistet eine Umformung des Kalottenteiles 2 so, dass die Dicht fläche 5 der Werkzeugpartie 9 am Abdichtdurchmesser 20 der Kugel 13 abdichtet, ein funktionsbedingter Hinterschnitt 8 zwischen Kugelaußendurchmesser 15 und Ka lottenausgangsdurchmesser 17 entsteht und ein ausreichender Abstand zwischen Kugeloberfläche 18 und Kalottenausgangsdurchmesser 17 entsteht zur Vermeidung eines Kontaktes zwischen Kugel 13 und Kalotte 2 ein definierter Spalt 4. Durch eine weitere erfindungsgemäße Gestaltung ist es möglich, die Werkzeugpar tie 9 so zu gestalten, dass während des Umformprozesses ein Kragen 11 an das Kalottenteil angeformt wird. Nach dem Umformprozess erfolgt das Einspritzen der Schmelze über die Einspritzstelle 12. Mit der Kunststoff- oder Elastomerausspritzung 3 wird der Hohlraum 14 ausgefüllt und die funktionsbedingte Verbindung vom Kugelzapfen 1 und Kalottenteil 2 hergestellt. Zur Erzielung niedriger Reibungskoeffizienten zwischen Kugelzapfen 1 und Kunststoff- oder Elastomerausspritzung 3 kann vorzugsweise ein reibungsmindernder Füllstoff wie Polytetrafluorethylen, Molybdändisulfid und/oder Graphit der Schmelze beigegeben werden. Ist die Erzielung einer höheren Druckfestigkeit sowie ein geringer Volumenschwund erforderlich, ist es möglich, der Schmelze Glasfasern beizumischen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Kugelgelenke wird in einem Arbeitsgang vorzugsweise auf einer Spritzgießmaschine realisiert, wobei im ersten Verfahrensschritt zunächst der Kugelzapfen 1 und das Kalottenteil 2 in das Werkzeug eingelegt werden und im zweiten Verfahrensschritt mit dem Schließen der Schließeinheit der Spritzgießmaschine die Umformung des Kalottenteiles 2 erfolgt und im dritten Verfahrensschritt die Kunststoff- oder Elastomerausspritzung 3 erfolgt.

Bezugszeichenliste

1

Kugelzapfen

2

Kalottenteil

3

Kunststoff- oder Elastomerausspritzung

4

Spalt

5

Dichtfläche

6

Umformbereich

7

Umformbereich

8

Hinterschnitt

9

Werkzeugpartie

10

Werkzeugpartie

11

Kragen

12

Einspritzstelle

13

Kugel

14

Hohlraum

15

Kugelaußendurchmesser

16

Kalotteneingangsdurchmesser

17

Kalottenausgangsdurchmesser

18

Kugeloberfläche

19

Abdichtquerschnitt

20

Abdichtdurchmesser

21

Winkel

22

Winkel

Claims

1. Kugelgelenk, bestehend aus einem Kugelzapfen (1), einem Kalottenteil (2) und einer Kunststoff- oder Elastomerausspritzung (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Kalottenzapfen (1) im Kalottenteil (2) so angeordnet ist, dass zwischen Kalot teneingangsdurchmesser (16) und Kalottenausgangsdurchmesser (17) eine Durch messerdifferenz von vorzugsweise 1 bis 2 mm vorhanden ist für den werkzeugseitigen Umformbereich (6) ein Winkel (21) von vorzugsweise 30° sowie ein Winkel (22) von vorzugsweise 45° für den Umformbereich (7) angeordnet ist und der Umformbereich (7) so ausgebildet ist, dass nach dem Umformprozess des Kalottenteiles (2) ein Hinterschnitt (8) zum Kugelaußendurchmesser (15) vorhanden ist und dass zwischen dem Umformbereich (7) und dem Kugelaußendurchmes ser (15) ein Spalt (4) vorhanden ist und in Wirkverbindung stehend hierzu an der Werkzeugpartie (9) eine Dichtfläche (5) angeordnet ist und dass ein Hohlraum (14) zwischen Kugelzapfen (1) und Kalottenteil (2) angeordnet sowie für die Verbindung Kugelzapfen (1) und Kalottenteil (2) eine Kunststoff- oder Elasto merausspritzung (3) angeordnet ist.

2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der in dem Hohl raum (14) angeordneten Kunststoff- oder Elastomerausspritzung (3) reibungsmin dernde Füllstoffe angeordnet sind.

3. Kugelgelenk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kunst stoff- oder Elastomerausspritzung (3) Glasfasern angeordnet sind.

4. Kugelgelenk nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Kalotten teil (2) ein Kragen (11) angeordnet ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenkes, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionsbedingte Verbindung des Kugelzapfens mit dem Kalottenteil in einem Ar beitsgang auf vorzugsweise einer Spritzgießmaschine erfolgt, wobei im ersten Ver fahrensschritt der Kugelzapfen (1) und das Kalottenteil (2) so in das Werkzeug ein gelegt werden, dass der mit der Kunststoffeinspritzung entsprechende hydrostati sche Druck eine exakte Zentrierung, verbunden mit einer gleichmäßigen Ausbrei tung der Kunststoff- oder Elastomerausspritzung (3), des Kugelzapfens (1) im Kalot tenteil (2) realisiert, im zweiten Verfahrensschritt das Werkzeug geschlossen wird, wobei während und durch die Schließbewegung des Werkzeuges das Kalottenteil (2) in den Umformbereichen (6) und (7) funktionsrelevant so umgeformt wird, dass ein Hinterschnitt (8) entsteht, der so ausgebildet ist, dass in Wirkverbindung mit der Dichtkante (5) der Werkzeugpartie (9) ein definierter Spalt (4) entsteht und im drit ten Verfahrensschritt das Einspritzen der Kunststoff- oder Elastomerausspritzung (3) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung des Hohlraumes (14) im Bereich der Dichtfläche (5) durch eine Kraft erzielt wird, die durch das Produkt von Spritzdruck und der Differenzfläche vom Kugelaußen durchmesser (15) und Abdichtdurchmesser (20) entsteht.

7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdich tung im Bereich des Spaltes (4) des Kalottenteiles (2) zum Kugelzapfen (1) zum Werkzeugbereich (9) bzw. (10) durch den Umformvorgang im Verfahrensschnitt 2 herbeigeführt wird.